Mikroorganismen, Bakterien

Synthetische Biologie: Organismen neu designen

Von Juliette Irmer

Das Ziel der Synthetischen Biologie ist es, biologische Systeme so gut zu verstehen, dass man sie nachbauen und mit neuen Eigenschaften und Fähigkeiten versehen kann, die in der Natur nicht vorkommen. Die Synthetische Biologie beinhaltet sowohl Grundlagenforschung, bei der es darum geht, grundlegende Prozesse des Lebens auf molekularer Ebene zu verstehen, als auch anwendungsorientierte Forschung, bei der neuartige Biomoleküle, Medikamente und Chemikalien produziert werden sollen. Die enormen Fortschritte in der Molekularbiologie und der Bioinformatik treiben auch die Synthetische Biologie voran.

Als Synthetische Biologie bezeichnet man ein Konzept, das versucht biologische Systeme durch die Brille eines Ingenieurs zu betrachten. Diesem Denkmuster folgend, ist eine Zelle aus verschiedenen Modulen aufgebaut, etwa Proteinen und die Erbinformation der Bauplan für diese Module. Indem man diesen Bauplan unter standardisierten Bedingungen nachbaut und verändert, lassen sich neue, synthetische Organismen erschaffen, die es in der Natur nicht gibt oder aber man stattet existierende Organismen mit neuen Funktionen aus.

Hefe

In der Datenbank des Synthetic Biology Projects sind 116 anwendungsnahe Projekte verzeichnet. Die meisten entfallen auf Medizin (22), Chemie (17), Bio-Treibstoffe (14), Lebensmittel (10), industrielle Enzyme (9) und Landwirtschaft (5). 51 damit hergestellte Produkte sind bereits auf dem Markt oder kurz davor. - Die Einträge in der Datenbank beruhen auf freiwilligen Angaben durch die jeweiligen Hersteller bzw. Entwickler. Es ist davon auszugehen, dass die Zahl der Produkte, an denen mit Konzepten der Synthetischen Biologie geabeitet wird, höher ist.

Foto: Bierhefe Saccharomyces cerevisia, ein in der Synthetischen Biologie häufig genutzter Produktionsorganismus. (Kateryna Kon, 123RF), großes Foto oben: Olena Bolotova, 123RF

Während 2010 der Eins-zu-eins-Nachbau eines Bakteriengenoms mit einer Million Basenpaaren für Schlagzeilen sorgte, geht es zehn Jahre später nicht mehr um bloße Erbgut-Rekonstruktionen: Wissenschaftler versuchen sich an Minimalgenomen, also an Bakterienzellen, die mit einer Minimalausstattung an Genen überleben, sie fügen zusätzliche Bausteine in die DNA-Struktur ein oder verändern den genetischen Code, was als Recoding bezeichnet wird. Caulobacter crescentus, ein Süßwasserbakterium, besitzt natürlicherweise rund 4000 Gene, überlebt im Labor aber auch mit 680 Genen. Das Forschungsfeld hat mittlerweile eine eigene Bezeichnung: Synthetic Genomics.

Für Schlagzeilen sorgte in diesem Zusammenhang die Arbeit britischer Forscher, die 2019 eine neue Erbgut-Variante des Darmbakteriums Escherichia coli vorstellten. Sie ersetzten das gesamte Erbgut, insgesamt vier Millionen DNA-Bausteine, vollständig durch synthetische DNA und erschufen damit das bislang größte künstliche Genom. Außerdem vereinfachten sie den genetischen Code des ursprünglichen E.Coli-Genoms an 18 000 DNA-Positionen: So tauschten die Forscher etwa jedes einzelne TCG Codon, das für die Aminosäure Serin codiert, in das synonyme Codon AGC um, das ebenfalls für Serin steht. (Codon: Jeweils drei Basenpaare, in denen eine Aminosäure codiert ist)

Der E.Coli Syn61 getaufte, synthetische Organismus kommt dadurch mit nur 61 statt 64 Codons aus. Er ist etwas länglicher in der Form und teilt sich langsamer als sein Cousin, aber er lebt. Die drei frei gewordenen Codons könnten zukünftig als Anweisungen für neue Aminosäuren und so für neuartige Proteine dienen.

Die Fortschritte innerhalb der Synthetischen Biologie sind auch dem massiven Preisrückgang bei den eingesetzten Technologien zu verdanken: DNA lässt sich heute äußerst schnell und günstig entziffern und Baustein für Baustein neu synthetisieren. Die Herstellung von DNA-Stücken von mehreren tausend Einzelbausteinen ist problemlos möglich und auch die DNA-Assemblierung, also der Zusammenbau einzelner synthetisierter DNA-Stücke, ist Routine geworden.

So tasten sich Forscher auch an das Hefe-Genom heran: Seit rund zehn Jahren überarbeitet das Hefekonsortium Sc2.0 das Erbgut der Bierhefe, das 11 Millionen Bausteine umfasst und auf 16 Chromosomen verteilt ist. Die beteiligten Forscher recoden, löschen und verändern die Erbgutstruktur indem sie Chromosomen auch fusionieren. Die Hefe toleriert erstaunliches, selbst das Schrumpfen der 16 linear angeordneten Chromosomen auf nur ein ringförmiges. Sieben Chromosomen wurden bereits komplett überarbeitet und neu synthetisiert.

Auch das genetische Alphabet lässt sich offensichtlich erweitern, wie japanische Forscher 2019 demonstrierten: Sie kreierten eine DNA mit vier zusätzlichen, künstlichen Bausteinen, die sie treffend Hachimoji (japanisch = acht Buchstaben) tauften. Trotz dieser Erweiterung blieb die synthetische DNA funktionsfähig. Sie könnte die Entwicklung neuer Proteine ermöglichen oder der Informationsspeicherung dienen.

Zur Synthetischen Biologie gehören aber auch stärker anwendungsorientierte Forschungsbereiche. Bakterien bringen durch ihre vielfältigen Stoffwechselleistungen von Natur aus ein großes Spektrum an Molekülen hervor. Sie sind außerdem in der Lage, nachwachsende Rohstoffe wie pflanzliche Stärke oder aber Holz- und Zelluloseabfälle zu verwerten und diese in Basischemikalien oder auch Endprodukte umzuwandeln. Die Synthetische Biologie kann die Palette der Substanzen noch erweitern, indem Wissenschaftler mikrobielle Zellfabriken mit neuen Stoffwechselwegen aus genetischen Elementen verschiedener Organismen konstruieren.

Laut der Datenbank Synthetic Biology (siehe Kasten links) sind aktuell 51 synthetische Produkte zugelassen oder stehen kurz davor und weitere 65 Produkte stehen „am Horizont“. Darunter Enzyme für industrielle Prozesse, etwa Cottonasen, die die chemisch aufwändige Verarbeitung von Baumwolle vereinfachen und umweltfreundlicher machen, Biotreibstoffe wie Isobutanol und Ethanol, Biopolymere, Chemikalien und Medikamente, etwa das Antibiotikum Cephalexin.

Auch Duftstoffe und Aromen werden heute schon im Labor erzeugt: Synthetisch hergestellt garantieren sie eine gleichbleibende Qualität und sind keinen natürlichen Schwankungen unterworfen. Die Unternehmen nutzen Bakterien, Hefe oder Moos zur Produktion, deren Stoffwechsel so verändert wurde, dass sie Rosen- und Orangenduft, Vanillin oder Himbeeraroma produzieren.

Das Vorzeigebeispiel der Synthetischen Biologie ist aber der Wirkstoff Artemisinin, den die Beifußpflanze natürlicherweise nur in sehr geringer Menge produziert (0,1 – 1 Prozent des Trockengewichts). Artemisinin ist eine der wichtigsten Substanzen im Kampf gegen Malaria, weswegen ein großer Bedarf existiert. Wissenschaftler gelang es bereits 2007 den komplizierten Stoffwechselweg in Hefe nachzubauen. Ein Teil des Wirkstoffs wird seit 2013 synthetisch hergestellt, die Produktion blieb aber hinter den Erwartungen zurück, weil die Herstellung aus Beifuß momentan günstiger ist als das SynBio-Produkt. Es existieren verschiedene Forschungsansätze, unter anderem in Tabak, um die synthetische Produktion des Antimalaria-Wirkstoffs zu steigern und die Kosten zu reduzieren.

Trotz erster Erfolge steckt die Synthetische Biologie letztlich noch in Kinderschuhen, denen sie aber schnell entwachsen könnte: Das Wissen über Aufbau und Struktur von Genomen sowie über Genregulation wächst rasant. Kombiniert mit den neuen Möglichkeiten des Genome Editings ist zu erwarten, dass Wissenschaftler Stoffwechselwege bald noch effizienter und zielgerichteter konstruieren werden können.

Wie jede neue Technologie bietet die Synthetische Biologie große Chancen – etwa Alternativen zu fossilen Energieträgern, umweltschonende Verfahren in der chemischen Industrie oder neuartige Medikamente – ruft aber auch Ängste und Kritik hervor. Gentechnik-Gegner bezeichnen die Synthetische Biologie gerne als „extreme Gentechnik“. Die Grenzen zur klassischen Gentechnik sind zweifellos fließend und eine differenzierte Auseinandersetzung mit den neuen Möglichkeiten notwendig.

In Deutschland etwa wurde die Zentrale Kommission für biologische Sicherheit (ZKBS) vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft damit beauftragt, die Entwicklungen im Bereich der Synthetischen Biologie kritisch zu begleiten. Laut ZKBS sind die „aktuellen Forschungsansätze der Synthetischen Biologie durch bestehende gesetzliche Regelungen, insbesondere durch das GenTG, abgedeckt.“

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